交流园地
《水泥工厂节能设计规范》
电力节能篇解读
由建设部和国家质量监督检验检疫总局颁布的国家标准《水泥工厂节能设计规范》（以下简称《规范》）已于2008年5月1日起正式实施。该《规范》是在国家、建设部以及中国终端能效项目办公室的直接指导下，由中国水泥协会、天津水泥工业设计研究院有限公司及部分国内外知名水泥制造商在充分调研和细致分析的基础上共同完成的。这是我国工程建设领域对于能源资源节约专门制定的第一部国家标准，是中国工业行业的一个有代表意义的能效准入强制性标准。该《规范》适应国家对高耗能行业节能减排的要求，对水泥工厂的建筑节能、工艺节能、电力系统节能、矿山工程节能、辅助设施节能等方面的设计都做了详细的规定。
有了节能设计标准，只是使得工程建设开展节能设计实现了有标可依，有了一个搞好节能工作的前提和基础。要真正贯彻执行好标准，只有在具体的工程设计活动过程中严格执行标准中各项规定，特别是强制性条文，才能确保节能目标的最终实现。为了使广大的设计人员、工程技术人员和管理人员能够及时了解并准确把握标准的内容，提高贯彻执行标准的主动性和自觉性，天津水泥工业设计研究院有限公司作为主编单位之一，在今后的设计中不仅有落实贯彻《规范》的责任，同时还肩负着推广、解释《规范》的义务。
在水泥工厂节能设计中，电力系统的节能设计是重要环节之一。《规范》中电力系统节能篇中条款不多，但
涉及内容较多，有些条款参考了国际比，计算公式如下：
标准和新国标的修订内容，本文拟就A＝[(P2＋Q2）/U2]Rt（1）
式中：A——线路损耗，kWh
粗浅解读。
P——有功功率，kWQ——无功功率，Kvar1供配电系统节能条款解读
U——运行电压，kV1.1变电所或配电站的位置应设R——电阻，Ω置在负荷中心附近，并应减少配电级t——时间，h
数（5.1.1条款）
由此可见，提高运行电压是一项大中型水泥生产线通常以一窑三重要的降低损耗措施。在输送功率相磨为主体在厂区构成不同的工艺区域，同的情况下，提高电压等级可大大减同时还有相应的原料、中间物料储存少线路损耗。
库及输送设备。电力负荷主要集中在水泥工厂的装机容量较大，根据不以原料磨、水泥磨、烧成系统为核心的同生产规模，2000t/d～5000t/d生产3个区域，其中尤以原料磨车间区域负线，装机容量一般在15000～30000kW，荷较大，一般可占到水泥厂全部负荷在化工、纺织、石油、冶金、建材等几的一半，是全厂电力负荷最为集中的大行业中名列前位。因此适当提高水区域。因此作为全厂供电的总降压变泥厂的供电电压对降低电能损耗无疑电站的位置，除考虑其他通常因素外，是一项重要措施。根据近年建成和在应尽可能靠近原料磨车间，首先保证建的大中型水泥生产线供电情况统计，供电电源基本接近全厂的最重负荷区。大多数均采用110kV的供电电压，少数同时根据生产线的实际布置情况盯在因地区供电电网暂时无法满足而采用水泥磨、烧成系统等电力负荷相对集35kV的供电电压。其中压配电等级多中的区域设置一个或几个配电站，向数均采用10kV,少数企业因考虑备配件高压电机和电力室变压器供电，使等因素延用原生产线的6kV电压等级。10kV电压也尽量深入到负荷中心。配采用110kV供电电压较35kV供电电压，电站与电力室可采取合并布置。对电线损降低约90％。中压配电等级采用机数量较多、容量较小且距电力室较10kV比6kV减少损耗约60％。此条款远的辅助车间，可在车间的适当位置从节能角度明确规定了今后中型及以设置配电室，向负荷放射式供电。此款上规模水泥工厂生产线应采用110kV主要是考虑尽可能缩短供电半径，以电压等级供电，而不宜再采用35kV。中最大限度降低电力线路上的电能损耗。
型规模一般为2000t/d熟料以上的水1.2中型及以上规模水泥工厂生泥厂。中压等级应尽量采用10kV，因产线应采用110kV电压等级供电，中压某种因素需采用6kV等级时，应从节能电压等级宜采用10kV(5.1.1条款）
角度进行方案对比。
线路损耗与运行电压的平方成反
1.310kV及以上输电线路，应按
ChinaBuildingMaterialResourcesCommunication
55
《规范》中电力节能篇的主要条款进行经济电流密度校验导线截面（5.1.3条款）
电缆截面选择是电气设计的主要内容之一。截面选择得过小，会造成过大的电压降和电能损耗，运行不安全。截面选择得过大，会增加有色金属的消耗和建设初期投资。
一般电缆截面选择可分为5类方法：（1）按允许发热条件选择，即按允许载流量选择；（2）按允许电压损失校验（;3）按短路热稳定校验；（4）按满足机械强度选择；（5）按经济电流密度选择。
前4种均属技术性方法，主要从安全特性考虑。而第5种则是从降低电能损耗、节省有色金属和减低电缆使用寿命期内的总投资等多方面进行综合考虑，即总费用最小法则，也称TOC法（TotalOwningCost）。国内电气工程师对经济电流密度比较熟悉，早在20世纪50年代，我国就从前苏联引进了这个概念，但主要是应用在高压架空线路和电力系统高压电缆上的。一般来说按经济电流密度选择，电缆截面比载流量截面加大1到2级，相应需增加初期投资。
在以往的水泥工厂电气设计中，根据不同情况以上几种方法我们都曾采用，但按经济电流密度校验选择多用于110kV和35kV的供电输电线路，而对厂内10kV输电线路主要采用前4种技术性方法。我国成为WTO成员国之后，电气设计领域与国际标准接轨工作也有了较快发展，陆续等同、等效采用国际标准充实或替代原有标准。在电缆截面选择标准方面，近年来有两大发展，一是低压电缆载流量国家标准GB/T165.15-2002于2003年开始实施，它等同采用了IEC603-5-523-1999标准，结束了我国长期没有电线电缆载流量国家标准的情况。二是推广应用IEC60287-3-2-1995《电力电缆截面的经济最佳化》标准。这些内容在新出版的供配电设计手册中都进行了更新和充实。根据IEC的研究结果表明，低压电缆更适合于使用经济电流密度选型，并且由于低压电缆的
使用数量远远超过高压电缆，其带来的经济效益和社会效益无疑是十分巨大的。本条款根据国内目前情况并参考国内其它行业的标准，将按经济电流密度选择线路截面覆盖到厂内10kV输电线路，但没有扩到10kV以下的低压电缆，仅规定“10kV及以上输电线路应按经济电流密度校验导线截面”。应该说这将对水泥工厂节约电能起到积极的推动作用。当然按此规定会增加少量初次投资，但水泥工厂的年利用小时均在5000h以上，其增加的初次投资可在2年左右收回。因此从长远看，采用经济电流选择电缆截面既经济又利于节能。今后的设计应注意遵守此条款的规定，对10kV电缆进行经济电流密度校验。
1.4款变压器的容量、台数和运行方式应根据负荷性质、用电容量等确定（5.1.4条款）
水泥工厂一般设总降压变电站或10kV总配电站，全厂需设置多个车间变电所，配置多台车间变压器。因此合理选择总降压变电站的主变压器容量和台数，合理选择运行方式，实现变压器的经济运行，是降低电能损耗的重要措施之一。
变压器的损耗主要为空载损耗和负载损耗。可通过选用节能型变压器降低空载损耗，节能型变压器较普通变压器的空载损耗约低8％。国家标准《三相配电变压器能效限定值及节能评
价值》GB20052-2006中对10kV配电变压器有明确限定。而负载损耗与变压器的负载情况有关，负载损耗与负荷系数的平方成正比，当变压器在经济负荷系数下运行时，变压器的效率最高。
A=（P0+β2XPk）/（βXSe）（2）式中：A——负荷损耗，kW/kVA
β——负荷系数，β=S/SeP0——变压器空载损耗，kWPk——变压器负载损耗，kWSe——变压器容量，KVA负荷损耗与负荷系数的函数关系呈马鞍形曲线，如图1所示。
由图1可见，在经济负荷系数βj在一定范围内时负荷损耗较小。国家标准《变压器选用导则》GB/T17468-1998中关于选用变压器的原则是“以变压器整体的可靠性为基础，综合考虑技术参数的先进性和合理性，结合损耗评价的方式，提出技术经济指标。”与电缆截面选择一样，变压器的容量确定也可采用TOC法，此方法综合考虑了设备价格、损耗、电价等技术经济指标对变压器总体经济性的影响。根据经济评价计算，βj取在0.55～0.75之间时，变压器在最佳经济运行范围以内。
国内现在是按主变压器容量收取基本电费，故在实际设计中既要考虑这一实际情况，变压器容量选择不宜过大，以降低设备投资和运行贴费；同
56
ChinaBuildingMaterialResourcesCommunication
交流园地
时也要考虑变压器的经济运行。因此总降压变电站主变压器的负荷系数宜在0.70～075之间的经济负荷区运行，表11000kVA变压器功率因素与有功功率关系
变压器容量，kVA
负载电流，A
负载功率因数
有功功率，kW
而车间变压器因不存在收取基本电费的情况，负荷系数取0.60～0.70较为适宜。
1.5宜采用高压补偿与低压补偿相结合、集中补偿与就地补偿相结合的无功补偿方式减少无功损耗。企业计费侧最大负荷时的功率因数不应低于0.92（5.1.5）条款
水泥工厂的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。在配电系统中安装无功补偿设备，可提供感性负荷所消耗的无功功率，减少电网电源向感性负荷提供的无功功率，减少无功功率在电网中的流动，可大大降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。
电能损耗与功率因数成反比关系：
A＝（P/Ucosφ）2Rt（3）
式中：A——线损电量，kWh
P——有功功率，kWU——运行电压，kVR——电阻，Ωcosφ——功率因数t——时间，h
可见，提高功率因数可以降低电能损耗，是经济运行的重要手段。
现以1000kVA变压器为例做一说明（表1）。
从表1中看出：负载功率因数越低，变压器输送有功功率就越低，而变压器的负载电流都相同，所以对负载进行无功补偿，提高功率因数，可以提高变压器的输送能力，同时也可降低线路损耗。
水泥工厂设计中一般均遵循此条款规定，10kV侧采用集中和分散同时补偿方式，在总降压变电站或配电站10kV侧设电容集中补偿，在原料磨、高温风机等大型电机设进相机或电容器为分散就地补偿，随主电机投入和切除。低压侧在各电力室设置自动电容补偿装置。企业计费侧最大负荷时的
0.99001000
1520
0.88000.7
700
表2我国公用电网谐波电压限值
电网电压，kV
电压总谐波畸变，%
各次谐波电压含有率，%奇次偶次0.385.04.02.0.03.21.6104.03.21.6353.02.41.2663.02.41.2110
2.0
1.6
0.8
功率因数均在0.92以上。通常设计中我国公用电网谐波电压限值见表2。侧重考虑设备管理和运行维护，10kV抑制谐波有多种方法，设计中可侧的补偿装置大多集中设置在总降压根据具体情况，采用不同方式将谐波变电站，而没有设置在更靠近负荷端控制在规定范围内。实际工作中，在选的10kV配电站。但从节能降耗的角度用变频器的同时需考虑谐波抑制方案。考虑，补偿装置靠近负荷端更加有利，小功率变频器一般为6脉冲整流，其5所以今后设计应通过计算在总降压变次谐波分量最大，可达32％，在输入电站保留少量补偿，将多数补偿设置端串接电抗器或谐波滤波器，可有效在10kV配电站。
抑制到2％。多数变频器厂家的标配方1.6应采取滤波方式抑制高次谐案含有内置电抗器，有些厂家的电抗波，其谐波限值应符合现行国家标准器和滤波器是选配元件，因此设计时公用电网谐波》GB/T14549除明确变频器的规格外，应注明配置的有关规定（5.1.6条款）
电抗器或滤波器。对于采用低压变频谐波主要由系统中的非线性负载器台数较多，容量较大的车间，将变频加整流器、变频调速等装置产生。谐波器的供电电源与其他设备的供电电源使电缆、变压器等用电设备的损耗增设置，将多台变频器集中挂在一加、温度过热，降低利用率。谐波辐射台专用变压器下，可减少谐波对系统还影响继电保护和自动化系统的工作的影响。300kW以上的大功率变频器可靠性，对计算机、通讯系统产生干宜采用12脉冲以上的变频装置，对12扰。以往水泥工厂中非线性负载较少，脉冲变频装置，其11次谐波分量可达容量较小，产生的谐波一般不足以造到9％，加装滤波器后可抑制到3％。
成对系统的影响。随着变频器的大量对谐波辐射可采用以下措施：应用，特别是大功率变频器产生的谐变频器与电动机之间采用变频屏波使电压波形畸变，继而对电能质量蔽电缆，并与其他弱电信号分开敷设，产生严重的影响。为了控制谐波“污避免辐射干扰。变频屏蔽电缆的屏蔽染”，国家质量技术监督局于1993年颁抑制系数S＜0.05,对邻近敷设的控制布了国标《电能质量公用电网谐波》电缆、通信电缆、计算机电缆可基本不GB/T14549-93）。该标准对公用电考虑电磁耦合产生的影响。
网各电压等级（380V-110kV）的谐波变频器单独接地，接地线尽量短、电压限值和用户的谐波电流指标分配粗导体，扁平导体（例如金属网）的高做出了规定。
频阻抗较小，效果更好。见图2。
ChinaBuildingMaterialResourcesCommunication
57
《电能质量（3照明节能条款解读
水泥工厂中的各类建筑、作业场所很多，照明要求各异。目前水泥厂照明电耗约占全厂总电耗的1％～2.5％，虽然比重不大，但有较大节电潜力。做好水泥厂照明节能设计有利于水泥厂整体节电，同时对推广绿色照明理念和提高节能意识有重要意义。2004年建设部发布了《建筑照明设计标准》GB50034-2004国家标准，此标准在原《工业企业照明设计标准》GB50034-92的基础上，总结各类建筑的照明经验，
图2变频器单独接地
并参考了国内外照明标准和照明节能标准，此标准具体详实，基本覆盖水泥工厂的照明要求。
绿色照明是90年代初国际上对节约电能、保护环境的照明系统的形象说法。《建筑照明设计标准》GB50034-2004中将“绿色照明”作为专业术语提出，并将其理念贯穿于整个标准。绿色照明的内涵是在满足照明质量和视觉效果的前提下，通过科学的照明设计，采用高效节能的新光源（如紧凑型、细管型荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯等）、高效节能的灯用电器附件（如电子镇流器等）、高效优质的照明灯具（如高效反射灯罩等）、先进的节能控制器（如调光装置、声控、光控、时控等）等一系列照明节电产品和技术，达到节约照明用电的目的，是一项以节能和环保为核心的系统工程。
2电气设备节能条款解读
目前我国已基本建立起节能标准体系，国家相继推出了一系列的经济运行标准和能效标准，对电动机、变压器、照明灯具等用电设备都有相应的能效标准，明确了产品的能效限定值和节能评价值，能效限定值是国家允许产品的最低能效值，低于此值的产品属于淘汰产品。节能评价值属于推荐性指标，它是开展节能产品认证和实施鼓励性节能的技术依据。设计选型中应注意把握这两个指标的区别，严禁选用低于能效限定值的产品，推广选用达到或接近节能评价值的产品。
随着节能技术的发展，电气技术领域不断推出大量新型节电产品，设计工作中应注意改变陈旧的设计理念，充分重视节能降耗产品和节电新技术的应用和推广，加快推广和应用成熟的产品和技术。如以前常用的SL7、S7等系列变压器，其铁损、铜损都比目前广泛使用的S9系列变压器高出很多，以S7与S9相比，铁损高出11％，铜损高出28％。国家能效标准中，变压器能效限定值的确定就是基于S9的性能指标。而新型变压器，如S10、S11、非晶合金变压器比S9还要节能，非晶合金变压器的铁损只相当于S7的20％。国家能效标准变压器的节能评价值是基于S11的性能指标。变压器使用寿命一般长达几十年，用高效节能型变压器替代高能耗变压器，不但可提高能
源转换效率，在寿命期内的节电效果也相当可观。
目前世界上包括我国在内的很多国家对电动机的节能问题均给予了高度重视，国家的节能专项规划中对此也有指导性意见。水泥生产线所配套的电机大都为Y系列电机，Y系列异步电动机平均效率比已淘汰的JO2系列提高0.43％。而新型的高效电动机平均效率比Y系列提高3％，损耗降低28％。水泥工厂年运行时间超过5000h，一般电动机常年运行，其效率高低直接决定其耗电量，例如：一台45kW电机效率提高1%，年节电近4000kW/h。节电效果明显，增加的投资一般可在1～3年内收回。
关于相控调压技术：通过实时检测电动机的电压与电流的相位差和波形，调整电动机的输入电压电流，控制电动机的输入功率，减少不必要的电能损耗，实现“所供即所需”。将该技术广泛应用于轻载负荷或负载变化较大状态下运行的交流感应电机，可收到较好的节能效果，解决“大马拉小车”状态下的电能浪费问题。
现阶段一些新型节能电器可能投资较高，但相信随着技术的发展，产品会不断突破，价格逐渐降低。设计中应随时跟踪节电新产品和新技术，对设计方案进行充分的技术经济比较，不断优化设计，使我们设计的水泥生产线在实现良好经济效益的同时，降低损耗、节约能源。
4结束语
优化设计，积极推广节能环保技术，采用节能环保装备，是水泥企业节能降耗的基础工作。不论是新建或是改扩工程，设计工作的水平对水泥生产线建成之后技术经济指标都是决定性的。为了把水泥企业建设成节能环保型企业，必须在生产线的设计中严格执行《规范》的要求，积极推广和采用先进实用的节能环保技术和产品，为水泥行业贯彻落实科学发展观，深入开展节能工作，实现国家规定的节能减排目标，促进水泥行业的可持续健康发展奠定基础。
——摘自《水泥技术》2009年第4期
58
ChinaBuildingMaterialResourcesCommunication